La sala dedicata alla raccolta archeologica ospita materiali preistorici e romani rinvenuti a Conegliano e nel territorio circostante. La visita inizia con la carta archeologica dei siti coneglianesi, in cui sono riportati i luoghi dei più importanti ritrovamenti esposti in queste vetrine. La prima, posizionata sul fondo della sala, accoglie i più antichi reperti preistorici raccolti nel territorio coneglianese, tra cui ricordiamo un dente di mastodonte (età Terziaria, 65-2 milioni di anni fa), alcuni manufatti in selce da Susegana (Paleolitico Medio), diversi strumenti litici preistorici (una macina piana convessa con pestello, lame, raschiatoi, punte di freccia, nuclei e grattatoi) da Colfosco, una scheggia dalle Bortolotte e materiale ceramico dell’età del Bronzo Finale e del Primo Ferro da Colle della Tombola (apofisi cilindro-retta, anse a nastro, orli di olletta, bassopiede di coppetta e frammento di tarallo) e San Vendemiano (un frammento cordonato e un blocco di scorie di fusione).
Il percorso procede sulla destra con la seconda vetrina, che espone i reperti neolitici ed eneolitici scoperti nel 1986 in località Ferrera. Qui vennero alla luce sia materiali litici (una macina a sella in trachite, punte foliate e peduncolate, frammenti di asce, grattatoi, nuclei, lamelle, raschiatoi e lame a ritocco foliato) sia manufatti ceramici decorati con tecniche a incisioni e impressioni (frammenti di vasi, fusaiole e anse di varie tipologie), strettamente legati agli ultimi aspetti della Cultura dei Vasi a Bocca Quadrata, caratteristica dell’Italia settentrionale .
Un altro importante sito che ha restituito materiale neolitico è quello di Parè, a ridosso dell’insediamento di Ferrera. I reperti sia litici (bulini, grattatoi di vario genere, nuclei, schegge ritoccate, punte foliate, lamelle e un frammento di macina) che fittili (prese "a lingua", pareti di dolio, orli di vasi "a bocca quadrata", frammenti di vaso con decorazioni incise e scorie di fusione), esposti nella terza vetrina, abbracciano un arco cronologico ampio (dal Neolitico al Primo Ferro) e testimoniano la presenza di un abitato stabile.
All’interno della quarta vetrina sono collocate le testimonianze ceramiche (pareti cordonate di dolio, frammenti di scodellone tronco-conico con cordoni plastici, orli variamente decorati, un frammento di fusaiola, anse "a nastro", prese di vario genere, piede troncoconico di coppa, apofisi cilindro-retta, ansa con apofisi cornuta, frammenti di ollette e fondi di recipienti) del Bronzo Medio, Recente e Finale, scoperte durante gli anni ’70 del secolo scorso nei pressi di Casa Cima e di Costa e sui versanti della collina del Castello. All’interno della stessa vetrina sono esposti anche due asce da Colfosco (una "ad alette" in bronzo del VII sec. a.C. e una "a margini rialzati" del XVIII sec. a.C.) e due spade tipo “Sauerbrunn” dell’età del Bronzo Medio, rinvenute rispettivamente sul greto del Piave, presso Falzè, e al canale di Barche, fra i laghi di S. Maria e di Revine.
Al centro della sala si trovano le due vetrine dedicate ai rinvenimenti di età romana, dalla zona di Campolongo. La prima espone una serie di reperti fittili (I sec. a.C. – I sec. d.C.) che si riferiscono al territorio, che in epoca romana doveva essere centuriato e costellato di ville rustiche. Al suo interno si distinguono frammenti di olle, coppette, di una patera in ceramica sigillata, anforacei e pesi da telaio di forma circolare e troncopiramidale. La seconda vetrina contiene i materiali, probabilmente appartenenti a corredi funerari, rinvenuti negli scavi del 1988 in via Maggiore Piovesana, presso Campolongo. Tra questi oggetti sono coppette e ciotole usate come coperchi, frammenti di ollette e balsamari in vetro, frammenti di mosaico pavimentale, un lacerto di pavimento in cotto, chiodi in ferro, diversi elementi bronzei e tre monete di epoca tardoantica.
Nel sottoscala sono esposti materiali edilizi romani (mattoni, tegole e coppi) rinvenuti sempre a Campolongo.

All’interno della Pinacoteca, oltre alla ricca collezione di dipinti, è esposta una stele funeraria di età romana da Campolongo (I sec. a.C.), che ritrae con tutta probabilità due magistrati.